L’engouement mondial pour les appareils nomades et la course à la sobriété énergétique font de la diminution de la taille des systèmes microélectroniques (MEMS) un enjeu majeur pour les prochaines années. Les micro batteries au lithium sont aujourd'hui le moyen le plus efficace pour stocker et alimenter des dispositifs avec une très forte densité énergétique. Les incorporer dans des cartes de crédit comportant un écran et des touches intégrés est l’un des défis que relèvent les multinationales comme ST Micro Electronics. Ces micro batteries contiennent cependant du lithium métallique qui peut s'avérer très dangereux quand il est en contact avec de l’eau ou de l’air humide. Ainsi, afin de protéger les composants à une exposition à l’humidité, une encapsulation de l’ensemble de la batterie est nécessaire. L'encapsulation polymère a l’avantage, comparativement à d’autres matériaux, de présenter un faible coût de mise en forme et un faible poids. Cependant, de tels systèmes d'encapsulation sont aujourd'hui insuffisants pour garantir une durée de vie de plusieurs années des composants car en présence d’humidité ou d’une variation de température importante la tenue mécanique des assemblages peut être fragilisée. L'objectif de la thèse est donc de réaliser et d'étudier le comportement mécanique et structural d’assemblage de couches minces de polymères et de métaux en température et en humidité. Deux types de polymères ont été choisis pour ce projet :1. Le chlorure de polyvinylidène (PVDC), un polymère commercial très utilisé pour ses bonnes propriétés barrières à l'eau 2. Un oligomère acrylate reticulable par voie thermique et UV synthétisé au sein de l'IMMM. / The increasing number of mobile devices and the race to energy sobriety make the decrease of the size of microelectronic systems (MEMS) a major challenge. Today, Lithium micro batteries are currently the best solution for high-power-and-energy applications. Incorporate them into credit cards containing a screen or associate them to electronic sensors for the supervision is the challenge which raises international companies such as ST Microelectronics. However, these micro batteries contain some lithium metal which can be dangerous if the metallic lithium is in contact with water or humid air. In addition, the substance can spontaneously ignite in the contact of the humidity. So, in order to avoid the problems of safety, we absolutely have to protect the lithium contained in our micro batteries using an encapsulation layer. Polymeric encapsulation has the advantage, compared with other materials (ceramic, metal), to present a moderate cost of shaping and a low weight. However, such systems of encapsulation are today insufficient to guarantee a satisfactory life cycle of components. Indeed, in the presence of humidity or of a too important temperature variation, the mechanical assemblies can be weakened and engender an irreparable break. The objective of the thesis is therefore to realize and study the mechanical and structural behavior of assembly of thin layers of polymers and metals in temperature and humidity.Two types of polymers were selected for this project:1. Polyvinylidene chloride (PVDC), a commercial polymer widely used for its good barrier properties to water.2. A thermally and UV-crosslinkable acrylate oligomer synthesized in the IMMM.

L’objectif de ces travaux a été de développer des vernis acrylate photo-polymérisables à 100% d’extrait sec, destinés à protéger des pièces thermoplastiques en polycarbonate contre les endommagements mécaniques, en particulier contre la rayure. Les relations entre la composition, la structure et les propriétés de ces revêtements ont été explorées. Pour ce faire ont été étudiées la morphologie, les propriétés thermomécaniques ainsi que la résistance à la rayure des matériaux. Cette dernière a été évaluée par des tests de micro-scratch. La cinétique de formation des réseaux polymères a elle aussi été étudiée, par photo-DSC. Tous les matériaux étudiés présentent, en analyse thermomécanique dynamique, un module élevé à l’état caoutchoutique ainsi qu’une large relaxation mécanique. Un vernis pétro-sourcé à 100% d’extrait sec, qualifié de standard, a servi de point de départ à ces travaux. Il a tout d’abord été comparé à un vernis commercial solvanté photo-polymérisable, spécialement conçu pour la protection de pièces thermoplastiques. Celui-ci s’est avéré être plus efficace en termes de résistance à la rayure. Dans un deuxième temps, a été étudiée l’influence sur les propriétés du vernis standard pétro-sourcé d’un monomère multicyclique entrant dans sa composition. La modification de son pourcentage n’a permis d’apporter aucun bénéfice en termes de résistance à la rayure. Des nanoparticules de silice, d’alumine ou de zircone, disponibles sous forme de dispersion dans un monomère acrylate, ont ensuite été incorporées dans le vernis standard pétro-sourcé. Une organisation particulière de la nano-silice et de la nano-alumine au sein des matériaux étudiés a pu être observée par microscopie électronique en transmission. Il a été constaté que le taux de charge doit être élevé pour observer une augmentation du module élastique et une amélioration de la résistance à la rayure du vernis (≥15% massique dans le cas de la nano-silice). Par ailleurs, l’ajout de 5% massique de nano-silice dans le vernis n’a conduit à aucune modification de sa cinétique de photo-polymérisation. Enfin, une partie des composés acrylate pétro-sourcés du vernis standard a été substituée par des acrylates bio-sourcés disponibles industriellement. La cinétique de photo-polymérisation des deux types de vernis est similaire. Les conclusions de la comparaison entre les vernis bio-sourcés et le vernis standard pétro-sourcé en termes de résistance à la rayure dépendent de l’épaisseur des revêtements étudiés. L’ajout d’un composé monoacrylate bio-sourcé à la formulation des vernis tend à améliorer la recouvrance élastique des revêtements de faible épaisseur. L’acrylate d’isobornyle est en particulier intéressant, car il a aussi tendance à retarder l’apparition des craquelures au cours de la rayure. / The aim of this work was to develop 100% solids photo-polymerizable acrylate coatings, intended to protect thermoplastic pieces made of polycarbonate against mechanical damage, in particular scratches. The relationships between the composition, the structure and the properties of these coatings were examined. For this purpose the morphology, the thermomechanical properties and the scratch resistance of the materials, assessed by micro-scratch tests, were studied. The kinetics of the polymer network formation was also studied by photo-DSC experiments. All the materials feature a high elastic modulus and a broad mechanical relaxation in dynamic thermomechanical analysis. A 100% solids petro-based coating (standard) constituted the starting point of this work. First it was compared to a commercial photo-polymerizable coating containing solvents, specially designed to protect thermoplastic pieces. This commercial coating turned out to be more efficient against scratches. In a second time was studied the influence of the percentage of a multicyclic monomer, taking part in the composition of the standard petro-based coating, on the properties of the latter. The modification of its proportion does not bring any advantage concerning the scratch resistance. Silica, alumina and zirconia nanoparticles, dispersed in an acrylate monomer, were then incorporated in the standard petro-based coating. A particular organization of the silica or alumina nanoparticles in the materials could be observed by transmission electron microscopy. A high filler content is required to observe an increase in the elastic modulus and an enhancement of the scratch resistance of the coating (≥15% by weight for the nano-silica). Moreover, no change of the photo-polymerization kinetics was noticed through the addition of 5% by weight of nano-silica in the coating. Finally, some of the petro-based acrylate compounds of the standard coating were substituted by commercially available bio-based acrylate monomers. Both types of coatings feature similar polymerization kinetics. The conclusions concerning the comparison of the scratch resistance of the bio-based and standard petro-based coatings depend on their thickness. The incorporation of a bio-based monoacrylate compound in low thickness coatings tends to improve the elastic recovery. Isobornyl acrylate is particularly interesting since it also tends to delay the apparition of cracks along the scratch.

Le travail présenté porte sur l’étude de la résistance à la rayure d’un vernis acrylate liquide à 100% d’extrait sec et photo-réticulable, en fonction des conditions de réticulation et d’application. Ce vernis est destiné à être appliqué sur des substrats thermoplastiques. Une première étude réalisée sur support polycarbonate a permis de mettre en évidence l’interaction entre le supporte et les monomères du vernis. La photo-polymérisation nécessite une source de rayonnement UV afin de former le réseau 3D. L’évolution de l’énergie (dose UV) et de la puissance (pic d’irradiance UV) a été décrite en fonction des différents paramètres de réglages (vitesse de défilement et position de l’échantillon sous la lampe, distance entre ces deux derniers, focalisation du rayonnement,). La résistance à la rayure des revêtements a été caractérisée par le test de microscratch qui permet de mettre en évidence la transition ductile/fragile, ainsi que le comportement élastique du système feuil/substrat et donne une information sur le travail d’adhésion, selon le mode de rupture. Ces analyses ont été complétées par la mesure du taux de conversion. Le réglage du rayonnement UV permet de modifier les propriétés finales du revêtement. Il existe également un lien entre l’angle d’incidence du rayonnement, l’épaisseur de vernis, et un préchauffage des matériaux avant l’application ou la réticulation, sur le taux de conversion et la résistance mécanique du film. La rhéologie du vernis, en vue d’une application au bol rotatif avec effet électrostatique, a été étudiée. Nous avons montré l’influence du chauffage du vernis sur la viscosité. Les essais en conditions semi-industrielles ont permis de mettre en évidence les paramètres procédés impactant l’aspect et le tendu de la pièce. / This research aimed to study the impact of the application and the curing process conditions on the UV-cured coating properties. The UV formulation is a high solid content clear-coat, containing acrylates oligomer and monomers, and developed for thermoplastics substrate, to protect them against scratches. The characterization of the coating and the polycarbonate substrate showed the interaction between the two polymers. UV irradiation is the key to create the polymer network. Several parameters can affect the evolution of its energy and intensity: the conveyor speed, the position of the sample under the bulb, the distance between the last two, and the focalisation of the UV rays. The coating is then analysed in terms of scratch resistance, by the microscratch test. This test gives information about the ductile/brittle transition, the elastic behaviour and the adhesion work. It is completed by the reticulation rate measure. These properties can be modified by the UV radiation setting and the process conditions, like the angle of the support, the coating thickness, and the thermic pre-treatment of the materials before the application or the curing. The clear coat is aimed to be sprayed by electrostatic rotary deposition. The study of the rheological behaviour of the liquid coating showed an impact of the heating on its viscosity. Semi-industrials tests allowed highlighting the process parameters in order to improve the coating levelling and appearance.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

The two stage Lucite Alpha Process for the industrial manufacturing of methyl methacrylate (MMA) represents one of the most efficient technologies currently available for the large scale production of this important chemical commodity. The second stage of this process, which involves the condensation of methyl propanoate (MeP) with formaldehyde over a heterogeneous fixed bed catalyst, however, still shows great scope for improvement. Herein the development of a novel homogeneous catalytic system that would promote the condensation of either propanoic acid or MeP with formaldehyde is explored. Since C–C bond forming reactions which proceed via C–H activation pathways typically display high atom efficiency, our efforts were particularly focussed on employing a functionalisation strategy that is mediated by C–H activation. In the case of propanoic acid, the possibility of achieving regioselective α-methylenation by linking the substrate to phosphorus was evaluated. Thus, a series of acyloxyphosphines and acylphosphites derived from either propionic acid or phenylacetic acid was prepared and, where stability allowed, fully characterised. Some of the resultant simple mixed anhydrides posed problems relating to their stability, and the stabilisation of such ligand systems by using electronic and / or steric effects was therefore explored. In addition, the coordination chemistry and in solution behaviour of Rh(I) and Ru(II) complexes containing these ligands was examined. Similar to the free ligands, complexes derived from these mixed anhydrides rearranged in solution via a number of decomposition pathways, with the specific pathway dependent on the nature of the auxiliary ligands. For most of these complexes, however, ligand decarbonylation was the route of preference for decomposition. Despite the instability of these complexes, a selection of Rh(I) mixed anhydride complexes were assessed for their potential as C-H activation catalysts in reactions aimed at the α-methylenation of saturated carboxylic acids. Furthermore, the stabilisation of Rh(I) mixed anhydride complexes with chelating auxilary ligands, such as bisphosphines or N-substituted diphosphinoamines, was explored. In particular, a series of new Rh(I) mixed anhydride complexes containing dppe, dppb and dppbz as secondary ligands were prepared and the effects of these secondary ligands on the in solution stability of these complexes assessed. As MeP represents the final product in the first stage of the Alpha process and not propanoic acid, the utilisation of PNP iridium pincer complexes in the regioselective sp³ C–H activation of MeP and related esters was also examined. The factors that govern the regioselectivity of such reactions were of great interest to us and, in particular, the effects of water on the reactivity and regioselectivity of these reactions were explored. For MeP, preferential C–H activation of the methoxy group was found to proceed under anhydrous conditions and the catalytic functionalisation of this site with ethene using this activation approach was considered. Formaldehyde, employed in the second stage of the Alpha process, is a difficult substance to manufacture and handle, especially on a large scale. A preliminary study on the in situ production of anhydrous formaldehyde via the catalytic dehydrogenation of methanol was therefore performed. During this study, catalytic systems based on carbonate salts and / or transition metal complexes were considered. In the hope of reducing the number of steps required in the production of MMA, a new one-pot cascade reaction for the indirect α-methylenation of MeP with methanol was developed. Although the production of MMA using this system only proceeded with low efficiency, the obtained results serve as an important proof of concept for future developments in this area. Finally, the capacity of a series of simple bases to catalyse the condensation of MeP with formaldehyde was assessed as part of a fundamental study directed towards determining the factors that govern the efficiency of this reaction. In addition, the extent to which each base effects the deprotonation in the α-position of MeP was determined with the aid of deuterium labelling experiments. Similarly, using sodium propanoate as model base a rough estimate of the kinetics of deprotonation could be made based on the degree of deuterium incorporation over time. These studies suggested that the low efficiency of this condensation reaction is not caused by ineffective deprotonation but rather by the weak nucleophilicity of the generated carbanion. For this reason, attempts to increase the electrophilicity of formaldehyde through Mannich-type condensations reactions involving secondary amine and carboxylic acid additives were made.

This research investigates the synthesis and manufacture of shape-memory polymer (SMP) systems for use in biomedical and commodity applications. The research centers on improving the mechanical properties of thermoset acrylate copolymers with memory properties at reasonable cost through various design and manufacturing techniques: high-strain polymer synthesis and radiation crosslinking. The research assesses combinations of linear monomers and a low density of crosslinker to characterize new functional materials and optimize emerging mechanical properties such as the glass transition temperature (Tg) and rubbery modulus (ER). Exploring materials with large recoverable strains, a model copolymer of photo-polymerized methyl acrylate (MA), isobornyl acrylate and crosslinker bisphenol A ethoxylate dimethacrylate was shown to strain above 800%, twice the previously published value for SMPs, and recover fully. In the quest to maximize fully recoverable strains, a new hybrid molecule nicknamed Xini, which serves as both an initiator and a crosslinker, was also theorized, synthesized, polymerized into SMP networks and characterized. In the past, thermoset SMPs were made into complex shapes using expensive top-down techniques. A block of polymer was made and custom machining was required to craft complex parts. This prohibited devices in cost-competitive commodity application spaces. This research has proposed and validated a new method for accurately tuning the thermomechanical properties of network acrylates with shape-memory properties: Mnemosynation, eponymously named for the Greek goddess of memory. This novel manufacturing process imparts long term 'memory' on an otherwise amorphous thermoplastic material utilizing radiation-induced covalent crosslinking, and can be likened to Vulcanization, which imparts strength on natural rubber utilizing sulfur crosslinks. Adjustment of ER in the range from below 1 MPa to above 13 MPa has been demonstrated. ER was tailored by varying both radiation dose between 5 and 300 kGy and crosslinker concentration between 1.00 and 25.0 wt%. Tg manipulation was demonstrated between 23 ˚C and 70 ˚C. Mnemosynation combines advances in radiation grafting and acrylic SMP synthesis to enable both traditional plastics processing (blow molding, injection molding, etc.) and control of thermoset shape-memory properties. Combining advances in both high strain polymer synthesis and radiation crosslinking, a new paradigm in SMP composites manufacture-namely, that materials can be designed to enhance strain capacity at moderate stress, rather than maximum strength-was established. Various fibers with very different mechanical properties were impregnated with SMPs and thermo-mechanically assessed to develop an understanding of the technical parameters necessary to craft self-adjusting, multi-actuated, SMP-fiber composite orthopedic casts. This exploration syncs with the overarching aim of the research, which is to understand the fundamental scientific drivers necessary to enable new devices mass-manufactured from acrylate copolymers and optimize their emerging mechanical properties.

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Propagations- und Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten radikalischer Polymerisationen in w&auml;ssriger L&ouml;sung wurden durch Pulslaser-induzierte Polymerisationen und durch chemisch initiierte Polymerisationen bestimmt. Pulslaser-induzierte Polymerisationen wurden von <i>N</i>,2&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid, <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid, 2&#8209;Methylprop&#8209;2&#8209;enamid und Prop&#8209;2&#8209;enamid durchgef&uuml;hrt. Anschlie&szlig;ende Analyse der Produkte mittels Gr&ouml;&szlig;enausschlusschromatographie erm&ouml;glichte die Bestimmung der Propagationsgeschwindigkeitskoeffizienten. Die beobachtete &Auml;nderung des Propagationsgeschwindigkeitskoeffizienten mit der Monomerkonzentration kann durch die St&auml;rke, mit der innere Rotationen und Vibrationen im &Uuml;bergangszustand des Propagationsschritts gehindert sind, erkl&auml;rt werden. Die Abh&auml;ngigkeit der St&auml;rke der Hinderung von der Monomerkonzentration l&auml;sst sich zur&uuml;ckf&uuml;hren auf sich mit steigendem Monomeranteil verst&auml;rkende intermolekulare Wechselwirkungen der &Uuml;bergangszustandsstruktur mit solvatisierenden Molek&uuml;len. Zur Bestimmung der Aktivierungsvolumina und der Arrhenius-Aktivierungsenergien der Propagation wurden Druck und Temperatur von Umgebungsdruck bis 2&nbsp;000&nbsp;bar beziehungsweise von 10&nbsp;&deg;C bis 80&nbsp;&deg;C variiert. Sowohl die Aktivierungsenergie als auch der Betrag des Aktivierungsvolumens sind im Fall von 2&#8209;Methylprop&#8209;2&#8209;enamid gr&ouml;&szlig;er verglichen mit <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid. Diese Beobachtung kann dem Umstand, dass <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid keine &alpha;&#8209;Methylgruppe aufweist, zugeschrieben werden. Beide Aktivierungsparameter sind im Fall von <i>N</i>,2&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid denen des <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid &auml;hnlich. Dies ist unerwartet, da <i>N</i>,2&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid eine &alpha;&#8209;Methylgruppe aufweist. Unterschiede zwischen beiden Monomeren hinsichtlich der Konformation der Kohlenstoff&ndash;Kohlenstoff-Doppelbindung relativ zur Kohlenstoff&ndash;Sauerstoff-Doppelbindung k&ouml;nnten diese Beobachtung erkl&auml;ren.<br> Zur Bestimmung von Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten wurde die Polymerisation durch einen einzelnen Laserpuls initiiert und der Monomer-zu-Polymer-Umsatz anschlie&szlig;end mittels zeitaufgel&ouml;ster Nahinfrarotspektroskopie verfolgt. Die Zeitaufl&ouml;sung ist auf 0.33&nbsp;&mu;s verbessert worden. Wiederholte Einstrahlung von Laserpulsen in Kombination mit nahinfrarotspektroskopischer Analyse liefert Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten als Funktion des Grades des Monomerumsatzes. Untersuchungen der Terminierungskinetik von Prop&#8209;2&#8209;enamid, 2&#8209;Methylprop&#8209;2&#8209;enamid, <i>N</i>,2&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid, <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid und 1&#8209;Vinylpyrrolidin&#8209;2&#8209;on wurden, aufgrund des besseren Signal-Rausch-Verh&auml;ltnisses bei hohen Dr&uuml;cken, bei 2&nbsp;000&nbsp;bar durchgef&uuml;hrt. Weitere Messungen wurden im Fall der meisten Prop&#8209;2&#8209;enamide bei Dr&uuml;cken von 500&nbsp;bar, 1&nbsp;000&nbsp;bar und 1&nbsp;500&nbsp;bar durchgef&uuml;hrt. Die dadurch erhaltenen Aktivierungsvolumina k&ouml;nnen zur Absch&auml;tzung des Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten bei Umgebungsdruck verwendet werden. Die Aktivierungsvolumina der Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten von <i>N</i>,2&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid und von Prop&#8209;2&#8209;enamid belaufen sich auf 12.4&nbsp;cm³&middot;mol^&minus;1 beziehungsweise 14.3&nbsp;cm³&middot;mol^&minus;1. Das Aktivierungsvolumen im Fall von <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid (4.9&nbsp;cm³&middot;mol^&minus;1) ist kleiner als erwartet. Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten von 1&#8209;Vinylpyrrolidin&#8209;2&#8209;on konnten f&uuml;r einen gro&szlig;en Bereich der Anfangsmonomerkonzentration und des Grades des Monomerumsatzes erhalten werden. Diese Daten erm&ouml;glichen eine detaillierte Analyse der Parameter, die zur Beschreibung der Monomerumsatzabh&auml;ngigkeit des Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten verwendet werden. Es wird angenommen, dass der Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizient innerhalb des untersuchten Monomerumsatzbereichs durch Segment-, Translations- und Reaktionsdiffusion kontrolliert ist.<br> Im Fall von <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid und 1&#8209;Vinylpyrrolidin&#8209;2&#8209;on wurden dynamische Viskosit&auml;ten von Monomer&ndash;Wasser-Gemischen bei Umgebungsdruck bestimmt, um das Verst&auml;ndnis der Terminierungskinetik zu erleichtern. F&uuml;r diese beiden Monomere wurde durch Pulslaser-induzierte Polymerisation eine gro&szlig;e Anzahl von Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten in Abh&auml;ngigkeit von der Anfangsmonomerkonzentration erhalten.<br> Zur Bestimmung des Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten von Prop&#8209;2&#8209;enamid in Abh&auml;ngigkeit vom Monomerumsatz wurden chemisch initiierte Polymerisationen bei Umgebungsdruck durchgef&uuml;hrt. Die erhaltenen Werte stimmen gut mit Daten &uuml;berein, die mit Hilfe von Pulslaser-induzierten Polymerisationen ermittelt wurden.<br> Untersuchungen der bin&auml;ren Copolymerisation von 1&#8209;Vinylpyrrolidin&#8209;2&#8209;on und Natriumacrylat zeigten einen ausgepr&auml;gten Einbau von Natriumacrylat in das gebildete Copolymer. Dies wurde mittels Kernspinresonanzspektroskopie gemessen. Die Monomerreaktivit&auml;tsverh&auml;ltnisse wurden mit Hilfe der Lewis&ndash;Mayo-Gleichung bestimmt.